Struktura a vlastnosti pevných látek
Krystalické a amorfní látky
Pevné látky zachovávají svůj tvar a objem.
Pevné látky lze rozdělit na krystalické a amorfní.
Krystalické látky jsou charakterizovány pravidelným uspořádáním částic. Rozložení částic se periodicky opakuje v celém krystalu nebo v části krystalu o rozměrech větších než 10 mm → dalekodosahové uspořádání
– monokrystaly – všechny částice jsou v jedné krystalické struktuře, která není přerušená, rozložení částic se periodicky opakuje v celém krystalu. Celý monokrystal má pravidelný geometrický tvar. Vlastnosti monokrystalů se v určitých směrech mohou lišit – jsou závislé na jejich uspořádání (slída se v jednom směru snadno rozdělí na plátky, ale tyto plátky je velmi obtížné rozdělit) → jsou anizotropní (tzn. fyz. vlastnosti látky závisí na směru vzhledem ke stavbě krystalu). Př. kamenná sůl NaCl, křemen SiO2; pro polovodiče se musí používat monokrystaly křemíku Si a germania Ge.
– polykrystaly – skládají se z velkého počtu drobných krystalků – zrn (rozměry od 10 mm po několik mm). Částice uvnitř mají opakující se strukturu, ale zrna jsou uspořádány nahodile, vzájemná poloha je nahodilá, proto bývají izotropní – mají ve všech směrech stejné vlastnosti. Patří sem všechny kovy.
Amorfní látky – periodické uspořádání těchto částic je omezeno na vzdálenost méně než 10–8 m. Pro větší
vzdálenosti je struktura látky porušena. Struktura amorfních látek má krátkodosahové uspořádání. Patří sem sklo, pryskyřice, vosk, asfalt, mnohé plasty.
Ideální krystalová mřížka
Ideální krystalová mřížka je modelem uspořádání částic v krystalu. Jejím základem je elementární buňka, která je vždy rovnoběžnostěn. Nejjednodušší případ je mřížka, která má uspořádání krychlové (kubické). Kubická základní buňka může být prostá (primitivní) – body jen vrcholy krychle (8 bodů, v přírodě jen vyjímečně, např. polonium alfa), plošně centrovaná – vrcholy krychle a středy stěn (14 bodů, kovy Al, Ni, Cu,…), prostorově centrovaná – vrcholy krychle a střed krychle (9 bodů, kovy Li, Na, K,… ).
Délka hrany základní buňky je mřížkový parametr a (nebo mřížková konstanta).
Částice v krystalu kmitají kolem bodů krystalové mřížky.
Poruchy krystalové mřížky
V reálném krystalu existuje vždy mnoho odchylek od pravidelného uspořádání → každý reálný krystal má ve struktuře poruchy (defekty).
BODOVÉ PORUCHY:
Vakance – v mřížce je jedno místo nezaplněno (příčinou může být např. tepelný pohyb částic, který způsobí, že se některým částicím podaří uniknout ze svého místa, lze ji vytvořit ozářením krystalu elektrony, ionty nebo neutrony)
Intersticiální poloha částice – částice leží mimo pravidelný bod mřížky; tato porucha může doprovázet vakanci, kdy se bod uvolní z mřížky a unikne na jiné místo
Příměsi – v krystalové mřížce jsou jiné atomy než atomy prvků, které tvoří danou látku. Cizí atom může být v mřížce (polovodiče typu P nebo N – příměsi do struktury křemíku) nebo v intersticiální poloze (uhlík ve struktuře železa → ocel; množství uhlíku ovlivňuje vlastnosti oceli).Dalším příkladem může být nahrazení 5% iontů Al3+ ionty chromu, kdy upravujeme krystal oxidu hlinitého Al2O3 na tmavočervený rubín (používaný např. ke konstrukci laserů)
ČÁROVÉ PORUCHY:
Spočívají v porušení pravidelného uspořádání částic v krystalové mřížce podél určité čáry (tzv. dislokační čáry)
Je tím vysvětlena menší pevnost krystalů než vyplývá z jejich dokonalé krystalové struktury. Při namáhání by musely prasknout všechny vazby mezi dvěma vrstvami najednou, což by vyžadovalo obrovské deformující síly. Při namáhání reálných krystalů se vazby narušují ústupně podél dislokační čáry.
Síly které působí mezi částicemi v krystalické mřížce:
Iontová – mřížku drží pohromadě elektrické přitažlivé síly mezi kationty a aniony (např. NaCl, tvrdé, s teplotou tání většinou vyšší než 500°C, křehké, dobré elektrické izolanty)
Kovová – odpudivé elektrické síly kationtů nepustí atomy na novou polohu, elektrony tvoří elektronový plyn mezi kationty – jsou volné (kovy, malá pevnost ve srovnání s ostatními vazbami, dobrá kujnost a tažnost, dobrá tepelná a elektrická vodivost
Kovalentní – chemická vazba mezi atomy, kdy atomy mají společné valenční elektrony (křemík, germanium, diamant, cín,.. - vysoká teplota tání, tvrdé, prakticky nerozpustné)
Molekulová – síly mezi molekulami – je velmi slabá, nejjednodušší molekulové krystaly tvoří inertní plyny s jednoatomovými molekulami (neon, jod, chlor,kyslík nestabilní za velmi nízkých teplot, měkké, s nízkou teplotou tání
Vodíková – krystaly ledu H2O, každá molekula má čtyři nejbližší sousedy, s nimiž je spojena vodíkovými vazbami, molekuly jsou uspořádány ve velkých skupinách, které jsou stabilní a tvoří ledové krystaly
Když na pevné těleso působíme silou, dojde ke změně tvaru nebo objemu – deformaci tělesa.
Deformace tělesa je změna rozměrů, tvaru nebo objemu tělesa způsobená vnějšími silami.
Deformace může být pružná (elastická) – když síly přestanou působit, těleso se vrátí do původního tvaru; nebo tvárná (plastická) – když síly přestanou působit, těleso už zůstane v novém tvaru.
Těleso se může deformovat
– tahem – dvě síly působí ven z tělesa, př. lano výtahu
– tlakem – dvě síly působí dovnitř tělesa, př. nosné pilíře
– ohybem – u tyče podepřené na koncích, když na ni působí síla kolmá k podélné ose – spodní vrstvy jsou deformovány tahem, horní tlakem, střed zůstává zachován – tyč se prohne. K deformaci ohybem dochází často kvůli tíze; lze jí zabránit podepřením, př. most
– smykem – na horní a na dolní podstavu tělesa působí tečné síly, které způsobují vzájemné
posunutí jednotlivých vrstev tělesa, přitom vzdálenost vrstev se nemění, př. nýt
– kroucením – na koncích tyče působí dvojice sil tak, že momenty působí proti sobě,
př. hřídele strojů, vrtáky, šrouby při utahování
Je-li pevné těleso deformováno tahem silami o velikosti F, vyvolává struktura tělesa v rovnovážném stavu stejně velké síly pružnosti Fp, které působí proti deformujícím silám.
To, do jakém míry má těleso vůli vracet se do původní polohy, charakterizuje normálové napětí sn
Fp je síla pružnosti, která působí kolmo na plochu příčného řezu tělesa o obsahu S. [sn] = Pa
Protože v rovnovážném stavu Fp = F, můžeme určit velikost normálového napětí z velkostí sil na těleso působících.
Každý materiál má některé významné hodnoty normálového napětí:
– mez pružnosti sE – největší hodnota normálového napětí, kdy je deformace ještě pružná. Po překroční této meze je těleso trvale deformováno.
– mez pevnosti sp – po překročení této hodnoty normálového napětí dojde k porušení materiálu – přetrhne se, rozdrtí se
– v tahu, nebo v tlaku – u některých materiálů se mohou lišit
– křehké látky mají mez pevnosti blízko meze pružnosti (sklo)
– dovolené napětí – nejvyšší přípustná hodnota sn při deformaci tahem nebo tlakem. Jeho hodnota je značně menší než mez pevnosti. Podíl meze pevnosti a dovoleného napětí je součinitel (koeficient) bezpečnosti.
Když na těleso začneme působit silou, prodlouží se z původní délky l1 o délku Dl na délku l
l = l1 + Dl
Dl – prodloužení → závisí na počáteční délce tělesa.
e – relativní prodloužení – je to prodloužení tělesa o původní délce 1 m.
Hookův zákon:
Normálové napětí je přímo úměrné relativnímu prodloužení.
E je modul pružnosti – je to normálové napětí, které by v předmětu bylo, když by se prodloužilo o svoji délku.